视觉测试系统的制作方法

视觉测试系统的制作方法
【专利摘要】一种视觉测试系统，包括：图像波阵面调节器、眼跟踪系统、使用凹球面镜的聚焦系统和患者站。在各种实施方式中，图像波阵面调节器和患者的眼睛相对于聚焦镜的光轴是偏离轴线定位的。这样，在波阵面调节器中的光学元件可以自动调整，以校正由聚焦系统引入的像差。进一步地，光学元件还可以用来自动校正由患者在患者测试站内的移动而引入的放大误差。进一步地，眼跟踪系统可以被用来确定由患者的眼睛的移动而引入的误差。最后，所述波阵面调节器可以被用来在患者的视网膜上产生图像，其准确地模拟如同患者在各种视线角度中正在通过特定设计的眼镜镜片观看的图像。
【专利说明】视觉测试系统
[0001] 优先权要求
[0002] 本申请要求2012年2月28日递交的编号为61/604, 310的美国临时专利申请的 利益，并且通过引用包含其全部内容。

【技术领域】
[0003] 本发明整体上涉及视觉测试的系统和方法，并且更具体地涉及用于测量患者的视 觉中的像差和在模拟包括眼镜镜片（spectacle lens)的校正形态中的像差，以允许患者分 析多个镜片设计（例如，多焦点眼镜镜片或渐增镜片（PAL))的系统和方法。

【背景技术】
[0004] 使用综合屈光检查仪技术的现有视觉测试装置要求测试装置位于患者和在墙或 屏幕上投射的图像中间。综合屈光检查仪是笨重的并且常常在测试结果中引入仪器适应误 差。而且，因为投射的光路和反射的光路通常相对反射镜的光轴是偏离轴线的，所以使用凹 透镜来向患者反射图像的系统通常引入更高阶和更低阶的像差。
[0005] 另外，目前还不存在测量患者的视觉系统中的误差并且允许患者分析或比较优化 患者的视觉的眼镜镜片设计的系统。例如，从市场上可以得到成千上万的不同PAL设计， 并且现有技术的系统中既不能向医生也不能向患者提供任何实际工具来确定，如果存在的 话，哪种设计向患者提供了可接受的视觉功能。另外，现有技术的系统不允许患者事先查看 和比较不同PAL镜片设计的视觉效果。现有技术的系统也不允许患者体验不同透镜镀膜的 效果，例如光致变色镀膜、偏振滤光器镀膜或抗反射镀膜。
[0006] 本系统和方法承认并解决了现有技术的系统和方法的前述及其他考虑。


【发明内容】

[0007] 在一个实施方式中，本发明针对用于测量患者的视觉并模拟眼镜镜片的校正属性 的系统和方法。该系统包括：一个或更多处理器；可操作地耦合到所述处理器并且被配置 成调节被投射的图像的波阵面的至少一个图像波阵面调节器；患者测试区域，其具有当患 者位于所述患者测试区域内时，患者的眼睛所在的检查区域；以及反射镜，其具有与所述反 射镜的表面正交的光轴，其中所述光轴位于所述至少一个波阵面调节器和所述患者检查区 域中间。在各种实施方式中，处理器被配置成调整所述至少一个波阵面调节器来最小化由 位于所述波阵面调节器和所述患者检查区域中间的光轴产生的光学像差和光学误差。在各 种实施方式中，所述至少一个波阵面调节器可以是可操作地耦合到所述处理器并且由其控 制的一个或更多可调整的光学元件。
[0008] 在另一个实施方式中，一种用于校正在眼睛检查测试系统中引入的偏离轴线的误 差的方法，包括下述步骤：将图像的被调节的波阵面投射到具有光轴的镜上，所述光轴与所 述反射镜的表面大体正交；通过所述镜将所述图像的所述被调节的波阵面沿着反射光路反 射进在视觉测试程序期间患者的眼睛所在的检查区域；以及通过至少一个处理器调整至 少一个可调整的光学元件来最小化由于所述偏离轴线的入射光路和反射光路而通过镜引 入的一个或多个光学像差和光学误差。在各个实施方式中，被调节的波阵面的入射光路相 对于光轴是偏离轴线的，所反射的光路相对于光轴也是偏离轴线的，图像的波阵面被至少 一个可调整的光学元件调节，并且通过至少一个处理器控制所述至少一个可调整的光学元 件。
[0009] 在又一个实施方式中，一种用于测量患者的视觉和模拟校正透镜的系统包括：至 少一个处理器；至少一个波阵面调节器，其可操作地耦合到所述至少一个处理器并且被配 置成调节被投射的图像的波阵面；患者测试区域，其包括检查区域；以及具有光轴的镜，光 轴与反射镜的表面正交。在各种实施方式中，所述光轴位于所述至少一个波阵面调节器和 所述患者检查区域中间。在一些实施方式中，所述至少一个处理器被配置成接收至少一个 眼镜镜片设计并且调整所述至少一个波阵面调节器来调节至少一个图像，以便从所述镜反 射进入所述患者测试区域的所述至少一个图像模拟所述至少一个眼镜镜片设计的校正特 性。在这些实施方式中的一些实施方式中，所述至少一个处理器被配置成接收多个眼镜镜 片设计，并且调整所述至少一个波阵面调节器来调节所述至少一个图像，以便从所述镜反 射进入所述患者测试区域的图像模拟并列的至少两个眼睛镜片设计的校正特性，以允许被 测试的患者大致同时地预览和比较所述至少两个眼镜镜片设计。在一些实施方式中，该系 统还包括多个波阵面调节器和多个图像。

【专利附图】

【附图说明】
[0010] 图1是根据本系统的实施方式的视觉测试系统的侧视图。
[0011] 图2是图1的视觉测试系统的患者椅和塔台的透视图。
[0012] 图3是在图1的视觉测试系统中使用的波阵面调节器的俯视图。
[0013] 图4是在图1的视觉测试系统中使用的波阵面调节器的详细视图。
[0014] 图5是根据本系统的实施方式的具有多个波阵面调节器的视觉测试系统的侧视 图。
[0015] 图6是系统计算机的输入和输出的框图。
[0016] 图7示出利用图1的视觉系统测试患者的图像，其中患者的眼睛和视线方向通过 根据本系统的实施方式的头、眼和视线跟踪系统识别。
[0017] 图8是根据本系统的实施方式的示出近察附件的图1的视觉测试系统的透视图。
[0018] 图9描述了患者如何能够在使用图5的视觉测试系统在同时并列的基础上通过两 个不同透镜设计B和C比较远处的视觉和近处的视觉。
[0019] 图10是三个不同的PAL设计的描述。
[0020] 图11示出三个不同的PAL设计A、B和C，这些设计将透镜的放大率（power)描述 为坚直视线角度Θ和水平视线角度Λ的函数。
[0021] 图12示出了对于每个PAL设计Α、Β和C的眼睛的瞳孔入口与透镜表面在15个不 同的视线位置A-Ο的交叉。
[0022] 图13是示出了通过本系统的误差校正模块执行的方法步骤的框图。

【具体实施方式】
[0023] 现在将详细参考本系统和方法的实施方式，其中一个或多个例子在附图中示出。 每一个例子都是以示例的方式给出，而不是对本系统的限定。实际上，对本领域技术人员明 显的是，可以对本系统和方法做出修改和变化而不脱离其范围或精神。例如，在一个实施方 式的一部分中示出或描述的特征也可以在另一个实施方式中使用来产生又一个实施方式。 这样，在所附权利要求及其等效物的范围内，本系统和方法覆盖这样的修改和变化。
[0024] 概述
[0025] 本系统和方法整体上针对视觉测试系统，其远程创建和投射校正图像到正在测试 的患者的眼睛。总的来说，该系统包括患者测试单元和其内具有反射镜的远程设置的观察 口。该患者测试单元具有患者站（station)(例如检查椅），以及在患者检查椅上面的塔 台内设置的一个或多个图像波阵面调节器。每个图像波阵面调节器包含一个或多个可调 整光学元件，在优选的实施方式中所述一个或多个可调整元件可以是连续可变放大率透镜 (CVPL)元件，其在该图像通过可调整透镜元件投射时调节图像的波阵面。可调整CVPL透镜 元件基于对图像波阵面施加球面校正的Alvarez镜片对和对图像波阵面施加散光校正的 Humphrey镜片对（J90o和J45o)。该实施方式还可以包括校正高阶轴对称像差的其他CVPL 元件。当通过波阵面调节器传递被投射的图像时，图像波阵面被调节并且被引导为沿着入 射光路朝向观察口内设置的镜传播。在优选的实施方式中，该镜是具有与镜面正交的光轴 和大约2-2. 5米的曲率半径的球面凹透镜。
[0026] 在优选的实施方式中，波阵面调节器和观察口镜之间的距离、以及观察口镜和患 者检查椅之间的距离分别大致等于镜的曲率半径，以便图像波阵面产生器的校正镜片和患 者的眼睛平面相对于镜近似光学共轭到波阵面调节器组合的中点。进一步地，在这些条件 下，图像波阵面调节器中的校正透镜的放大率的放大相对于其在眼睛平面的所模拟的放大 率的比为1:1，或者是单位放大。在这种配置中，在波阵面调节器中包含的光学元件被有效 模拟，就像光学元件被设置在患者的眼睛附近。以这种方式，可以在测试程序期间测试患 者的视觉而不必须将光学元件置于患者的眼睛附近，从而允许在自然观察条件下的视觉测 试。
[0027] 因为波阵面调节器和患者的眼睛偏离观察口镜的光轴，所以由镜的定向导致的像 差被引入患者正在观察的图像的被调节的波阵面。因而，为了最小化在该偏离轴线的配置 下镜的使用引入的像差，系统可以使用查找表中的校准数据来在图像波阵面调节器中调整 光学元件来校正这些像差。而且，随着患者坐在测试椅上时移动他们的头，患者的眼睛和观 察口镜之间的距离可能变化，导致由该镜中继的校正透镜的有效放大率中的变化。与上述 最小化偏离轴线的镜像差的工具类似，系统可以采用能够检测并跟踪患者眼睛位置的患者 视线跟踪系统。系统计算机可以使用该数据来确定在患者眼睛和观察口镜之间的距离的实 时变化。使用该数据，系统计算机可以调整波阵面调节器中的光学元件来适应单位放大的 损失。
[0028] 最后，还可以使用由系统计算机控制的可移动支架来安装观察口镜。这样，随着跟 踪系统检测到在视觉测试系统内的患者的头和眼睛的移动，观察口镜就可以沿其坚直轴线 和/或水平轴线旋转，以随着患者的眼睛围绕检察区域自然移动将反射光路与患者的眼睛 对齐。
[0029] 示例系统设计
[0030] 参看图1，示出视觉测试系统10,具有塔台12、观察口 14、检察椅16和操作者控制 终端18。塔台12具有光匣（tray) 20,光匣20内具有一个或多个波阵面调节器21。塔台 12还具有后部区域22,后部区域22内具有系统计算机112 (图6)、电源（未示出）和其他 专用电子产品（未示出），该其他专用电子产品可操作地耦合并控制波阵面调节器21、检察 椅16、观察口 14和控制终端18。可以使用在局部网络内链接的独立的计算机控制上述任 意元件。
[0031] 检察椅
[0032] 检查椅16被设置成毗邻塔台12并在其前面，并且优选地与塔台机械隔离，以便患 者在椅子上的移动不会传送到塔台内的部件。检察椅16具有座位部分24,其位置通过在检 察椅16的底部26内设置的电动机（未示出）可调。该电动机可以响应系统计算机的输出 而被调整。座位后部28具有头枕30,可以通过手动或者通过响应系统计算机的自动装置来 调整头枕30。在多种实施方式中，可以从光匣20的下侧部署可选的头部约束装置（未示 出）来在检查过程中帮助稳定患者的头。检察椅16被配置成接纳患者32并且将患者的眼 睛定位在检查区域34。
[0033] 参看图2,检察椅16还具有扶手36,每一个扶手36都具有用于支撑患者输入工具 40的平台38。在优选的实施方式中，输入工具40是旋转的触觉控制器，在检查过程中患者 可以旋转、平移或按压以提供向系统计算机的输入。加利福尼亚州的圣何塞市的Immersion 技术公司95131生产了合适的触觉控制器，并且这样的控制器特别适合于在检查过程中向 系统提供直观的输入。已知有大量其他的输入工具，例如鼠标、控制杆、圆环控制、触摸屏或 话音控制器，在可替换的实施方式中可以使用其中的任意一种其他的输入工具。
[0034] 波阵面调节器
[0035] 图3示出了分别用于患者的右眼和左眼的两个特定的图像波阵面调节器46和48 的俯视图。每个图像波阵面调节器46和48都包含可调整的光学元件和附属元件50和 52(下文称为"可调整的光学元件"，其可以是连续可变放大率透镜（CVPL)元件）。图像产 生投射器54和56 (下文称为"图像投射器"）创建图像，该图像通过它们各自的调节图像的 波阵面的光学元件投射。为了实现本发明的目的，术语"图像"应当被解释成表示任何颜色、 对比度、形状或配置的任何静态或动态图像。在各种实施方式中，图像投射器54和56可以 被配置成产生与患者的生活方式相关的真实世界的场景的图像，并且这些图像可以是静态 的或完全动态的视频。一个合适的图像产生投射器是由华盛顿贝尔维尤的EMagin公司制 造的SXGA0LED-XL?型号。现有技术中已知许多其他图像产生投射器，包括LED、0LED、DLP、 CRT和其他光产生技术，其中的任何一个或其全部可能在可替换的实施方式中都是合适的。
[0036] 由投射器54和56产生的图像分别穿过各自的准直透镜58和60来将发散光束转 换成为平行光束。平行光束穿过各自的可调整的光学元件50和52 (图4详细示出）来调节 被投射的图像的波阵面。然后对于一只眼睛通过调束镜（beam turning mirror)62和64， 而对于另一只眼睛则通过调束镜66和68,将用于被调节的图像波阵面的光路61和63重定 向。随着具有被调节的波阵面的图像离开波阵面调节器46和48,光路61和63被引向场镜 42(图1)。为了正确地将光路61和63引导至场镜42并且调整光路61和63之间的间距 70来匹配患者的瞳孔之间的距离，可以调整透镜62、64、66和68的位置和角度。在各种实 施方式中，透镜58、60、62、64、66和68可以耦合到对通过跟踪系统112(图6)得到的数据 进行响应的致动器来帮助引导光路61和63沿着用于患者测试的期望路径。在其他实施方 式中，波阵面调节器46和48或者其中的各种光组件可以是可移动的以将可调整的光学元 件50和52的位置保持在距离场镜42的期望的距离，以便最小化由于如下解释的单位放大 的损失而产生的误差。
[0037] 用于波阵面调节器46和48的合适的连续可变放大率透镜（CVPL)元件50和52包 括但不限于Alvarez透镜。总的来说，每一个CVPL对都包括两个透镜元件，其中每一个的表 面可以通过三次多项式公式描述并且每一个透镜元件是它的同伴透镜元件的镜像。因为透 镜元件在与透镜的光轴垂直的方向上相对于彼此平移，所以施加穿过透镜对的图像的光放 大率根据透镜平移的量而变化。换句话说，Alvarez透镜元件调节图像的波阵面。这样，在 各种实施方式中，CVPL对的每一个透镜都被安装在可移动的框架上（未示出），该可移动的 架可操作地耦合到由系统计算机11〇(图6)控制的致动器（未示出）。可以使用的致动器 的例子包括但不限于由步进电动机驱动的蜗杆螺钉、压电致动器和其他致动器。一个适于 本系统的这种步进电动机系统是可以从加利福尼亚州的利弗莫尔的Arcus技术公司94551 得到的Arcus NEMA DMX-K-DRV-11-2-1电动机。为了优化CVPL元件，限定CVPL元件的形 状的公式的系数可以被优化，以改进它们的光学性能并最小化透镜对自身的可能由以串行 阵列方式对齐的透镜对产生的不期望的像差。例如，这样的优化可以使用诸如ZeMax(美国 华盛顿贝尔维尤，东北第3001112大道，202套房，Radiant ZEMAX LLC, 98004-8017)的合适 的光学设计软件来执行。
[0038] 图4示出图像波阵面调节器46的详细视图，其示出了用于调节由图像产生投射 器54产生的图像的波阵面的可调整的光学元件50。出于讨论的目的，在图4中示出的实 施方式使用连续可变放大率透镜-Alvarez透镜。具体地，第一透镜对72和74可以是提供 用于球面放大率（spherical power)的校正的元件-Alvarez透镜。第二透镜对76和78 可以是0° _90°的Jackson交叉圆柱兀件-Humphrey透镜。第三透镜对80和82可以是 45° -135°的Jackson交叉圆柱元件-Humphrey透镜。交叉圆柱元件提供对圆柱放大率的 校正。第四透镜对84和86可以用于球面像差。最后，第五透镜对88和90可以用于慧形像 差（comatic aberration)。其余的透镜92-104可以是例如极化透镜和各种具有透镜镀膜 的其他透镜（例如光致变色镀膜、防眩镀膜等）的透镜的附属透镜。当通过波阵面调节器 46将图像投射时，透镜对的每一个透镜都调节图像的波阵面。具有特定镀膜的附属透镜的 每一个还根据镀膜的属性修改图像。可以选择可调整的光学元件72-90来提供从-20D至 +20D的对屈光不正的全范围的校正和直到或超过8D的散光校正。结果，可调整的光学元件 50除了提供球面和柱面放大率的校正外，可调整的光学元件还能够校正适合仪器的应用的 范围的1?阶像差。
[0039] 除了在可调整的光学元件50内包括附属透镜，例如通过将PMMA片或其他合适的 光材料的表面用车床加工成需要的形状而准备的相位板也可以被插进附件插槽92-104。这 些相位板可以被用于向模拟正在被模拟的眼镜镜片设计可能需要的图像的波阵面施加附 加的调节。另外，可调整的光学元件50还可以被用于模拟隐形眼镜、人工晶状体、以及例如 LASIK或PRK的各种屈光手术配置的光学属性，来允许患者评估每个呈现给患者的潜在视 觉校正选项的效果。
[0040] 应当理解，参看本公开，在波阵面调节器46和48内可以使用其他类型的可调整的 光学元件和镜。例如，波阵面调节器46和48可以使用固定的和可调整的透镜元件来调节球 面和散光误差，以及可变形镜元件来对图像的波阵面施加高阶像差。这样的可以响应计算 机的可变形镜由 Edmunds Optics, 101 East Gloucester Pike, Barrington, NJ 08007-1380 制造。在另外的其他实施方式中，可以通过固定透镜、通过一个或多个可变形镜或者通过固 定透镜、可变形镜和CVPL元件的任意组合来替换可调整的CVPL。在各个实施方式中，可调 整的CVPL元件可以被应用来校正球面误差和散光的低阶像差，并且可变形镜可以被用来 校正高阶像差从而仅为了创建高阶校正而使用可调整的镜的动态范围。
[0041] 观察口
[0042] 再次参看图1，观察口 14具有反射场镜42和一个或多个患者跟踪摄像机44。在 各种实施方式中，跟踪摄像机44可操作地耦合到使用由跟踪摄像机44提供的信息来测量 患者（例如瞳孔距离、眼睛位置、患者位置等）的特征的头、眼和视线跟踪系统112 (图6)。 在各种实施方式中，场镜42是圆形并且具有球面凹曲率，该球面凹曲率具有大约2. 5M的曲 率半径和在10"至24"之间的直径。可以从星仪器公司，Newnan，GA 30263-7424获得合适 的镜。在其他实施方式中，系统可以包括对非球面镜、环形镜、非圆形形状的镜或者平镜的 使用。
[0043] 在使用凹球场镜42的实施方式中，从毗邻患者的眼睛（在检查区域34)的眼镜平 面至场镜42的距离和从可调整的光学元件50和52的中心至场镜42的距离应当各自大致 等于镜的曲率半径。在这种配置中，图像波阵面调节器中的校正透镜和眼镜平面相对场镜 光学共轭。进一步地，在这些条件下图像相对于对象是1:1放大或者单位放大。因为波阵 面调节器46和48以及检查区域34被设置在与场镜实质上共轭的光平面，所以可调整的光 学元件50和52被光学中继到在检查区域34内设置的眼镜平面，并且在眼镜平面产生与他 们在波阵面调节器中产生的同样有效的放大率。因而，坐在视觉测试系统10内的患者如同 可调整的光学元件50和52被放置在他们的眼睛附近观察图像。
[0044] 具有比较特征的视觉测试系统
[0045] 图5示出了视觉测试系统200的另一个实施方式的侧视图，其中在光匣20内容纳 (house) 了用于每一只眼睛的两个波阵面产生器202和204,这样共四个。这样，来自上波阵 面调节器202和下波阵面调节器204的图像的调制的波阵面被通过束合并元件206合并， 并且然后沿着入射光路126从波阵面调节器被向外朝向场镜42引导。与关于图1的描述 类似，被调节的图像波阵面从场镜42被反射出并沿着反射光路128进入检查区域34。如同 下面将要描述的，每一只眼睛的多个波阵面产生器不仅允许患者比较可能的各个校正，还 允许患者在并行和同时或者大致同时的基础上查看并比较将会通过多个眼镜镜片设计产 生的各个图像，以允许患者选择被认为是最好质量的或者另外优选的眼镜镜片设计。
[0046] 控制终端
[0047] 再次参看图1，操作者控制终端18可以包括触摸显示终端106,触摸显示终端106 被操作者用来向系统计算机11〇(图6)提供控制输入和接收来自系统计算机的显示。系统 还可以接收来自操作者通过传统输入装置108 (例如键盘、鼠标或触觉拨号盘）的输入，以 在检查过程中控制视觉测试系统。触摸显示屏106和输入装置108通过传统线缆、光纤或 无线连接而连接到系统计算机110 (图6)。
[0048] 图6示出了视觉测试系统10的示意图，其包括可操作地耦合到各种子系统的系统 计算机110。出于本公开的目的，应当理解对系统计算110的引用包括可操作地连接和配置 成执行描述的功能的一个或多个系统计算机。具体地，系统计算机50从跟踪系统112接收 患者跟踪信息，其使用从跟踪摄像机44接收的信息来确定三维的头、眼和视线信息。可以 通过系统计算机110使用头、眼和视线信息来调整可调整的光学元件50和52,以校正由患 者的头在检查区域34内的移动而引入的误差。
[0049] 系统计算机110还被配置成接收来自触摸显示器106和操作者输入装置108的输 入。可以通过检察椅位置控制单元114,使用这些输入来控制检查椅16的位置，以确保患 者的眼睛被正确地定位在检查区域34内。在一些实施方式内，当操作者远离视觉测试系统 10时，可以通过例如通过因特网连接116的远程控制输入接收操作者输入。进一步地，系统 计算机110还被配置成接收来自患者输入装置40的患者输入。以这种方式，患者可以在检 查过程中提供各种输入，这些输入将使系统计算机110调整各自的可调节的光学元件50和 52。这样，系统可以被配置成使用患者输入来促进检查。
[0050] 除了从各种子系统（例如，患者和操作者控制和跟踪系统）接收输入，系统计算机 110还向驱动图像投射器54和56的显示驱动118提供输出。系统计算机110还向引导致 动器（未示出）的透镜移动控制系统120提供输出，该致动器驱动各个可调整的分别用于 波阵面调节器46和48的右通道和左通道的光透镜50和52。透镜移动控制器120还控制 附属透镜92-104的位置。
[0051] 除了接收本地输入和发送本地输出，系统计算机110还可以通过网络连接124(例 如因特网、广域网或蜂窝网）可操作地耦合到中央贮存（r印ository)服务器122。进一步 地，在一些实施方式中，多个视觉测试系统10A和10B可以通过网络124被可操作地耦合到 中央贮存器122。例如，服务器122可以包括诸如高容量硬盘或其他非易失性存储介质的信 息储存装置，以允许患者数据被储存和传送到透镜生产设备。服务器122还可以被配置成 响应来自一个或多个的视觉测试系统的10、10A和10B的查询，并且可以提供任何被请求的 服务，例如对通过视觉测试系统得到的数据执行统计分析。
[0052] 示例系统操作
[0053] 再次参看图1，患者32占用定位在光匣20下面的检察椅16。使用触摸显示器106 或输入工具108的操作者调整座位24的位置来在检查区域34内移动患者的眼睛。由投射 器54和56产生的图像穿过光匣20内的图像波阵面调节器46和48,其中通过可调整的光 学元件50和52调节图像波阵面。然后图像被引导为沿着朝向观察口 14的入射光路126。 被调节的图像波阵面被从场镜42反射出去并沿着反射光路128朝向患者的眼睛所在的检 查区域34。在图1示出的配置中，入射光路126偏离场镜42的光轴130角度α。而且，反 射光路128也偏离光轴130实质上相同的角度α '。通过参考本公开应当理解，当患者在检 查区域34内移动他们的头时，角度α '可以稍微改变。另外，如果患者的眼睛与波阵面调 节器46和48不在同一平面，还存在与角度α和α '垂直的第二角度β (未示出）。当患 者坐在检查椅16上左右移动他们的头偏离光轴130时就会出现第二角度β。
[0054] 可以以各种方式将散光、高阶像差和其他光学误差引入视觉测试系统10。例如，偏 离轴线角度α、α '和β将散光和高阶像差和低阶像差引入被调节的图像波阵面。在各种 实施方式中，通过在各个波阵面调节器46和48内调整合适的可调整的光学元件50和52， 可以完全或部分地补偿这些像差。也就是说，可以调整一个或多个透镜对76-90来消除或 最小化由偏轴入射光路和反射光路引入的像差。进一步地，因为当患者的眼睛的位置关于 检查区域34移动时α、α'和β可以改变，所以系统计算机110(图6)可以使用由跟踪系 统112提供的信息来动态地改变可调整的光学元件50和52来补偿由于患者的头移动而产 生的像差。这样的调整确保当患者的眼睛的位置关于检查区域34移动时对屈光不正、像差 和校正的模拟的测量保持正确。
[0055] 如前所述，优选地的是以单位放大或近似单位放大操作的视觉测试系统10。但是， 因为在测试过程中患者自由地关于检查区域34移动，所以可能不总是单位放大。也就是 说，随着患者的眼睛朝向和远离场镜42移动，可以产生有效透镜放大率的变化。视觉测试 系统10可以通过使用下面的公式补偿在有效透镜放大率中的这些变化：
[0056] Po = Pc (Μ)2
[0057] 其中，Po是在患者的眼镜平面处的透镜的有效放大率，Pc是校正透镜的实际放大 率，以及Μ是放大倍数，由Di/Do给出，其中Do是校正透镜和场镜之间的距离，Di是场镜和 患者的眼睛之间的距离。上述公式提供可以存储在校准表中，并且由系统计算机110使用 的校正转换来，以调整在可调整的光学元件50和52内的一个或多个透镜来校正这样的非 单位放大。通过使用由跟踪摄像机44和跟踪系统112提供的患者跟踪信息数据，系统计算 机110可以自动进行这样的校正而不需要操作者输入。
[0058] 参看图7,跟踪系统112使用跟踪摄像机44捕获患者的头的图像并且识别患者的 右眼132和左眼134的位置。在优选的实施方式中，跟踪摄像机44对近红外（IR)光敏感， 并且IR照明器位于患者的右侧和左侧（未示出）。IR照明器被配置成将IR光引导进入患 者的眼睛以便可以通过跟踪摄像机44检测到由患者的角膜反射的IR光。这样，通过跟踪 系统112使用由IR照明器产生的已知几何结构和位置的图像的反射，来测量在患者32和 场镜42之间的距离。在各种实施方式中，可以设置两个或多于两个的跟踪摄像机44间隔 一定距离，以提供三维立体测量能力来改善距离测量。通过比较患者的瞳孔的大小和位置 与由角膜反射的IR图像的大小和位置，跟踪系统112可能通过获取角膜球面的中心和瞳 孔的中心并计算空间上连接这两个点的矢量来计算视线的方向，为系统提供患者视线的准 确方向。分别计算的以及在不同视线领域内对每一只眼睛的视线方向矢量的例子示出为 136R、136L、138R、138L、140R和140L。跟踪系统112可以计算视线的每一个位置的偏轴角 度Θ (坚直的）和△(水平的）。这些角度同时是患者的头的位置和眼睛的位置的函数。
[0059] 参看图8和图9,为了清楚，将视觉系统10示出为去掉波阵面调节器并带有近察显 示设备142,其允许患者查看在他们的近场图像。也就是说，通过使用允许场镜绕它的坚直 轴和水平轴旋转的可移动的装备43来移动场镜42,可以转移被反射的光路128。这样，当 使用近察设备142时，场镜42绕它的水平轴旋转以便反射光路128A被转移到近察设备142 的背部，近察设备142通过观察表面144将被反射的被调节的图像波阵面重定向至患者的 眼睛。也就是说，在近察设备142里面的镜（未示出）将反射光路128A重定向至患者的眼 睛。在近察设备142里面的镜（未示出）使被调节的图像相对彼此偏离，并且呈现至在检 查椅中的患者，好像它们从近察设备142的观察表面144中出现一样。以这种方式，近察设 备142模拟近场图像来允许患者体验由双焦或PAL透镜提供的视觉校正。
[0060] 图9示出了场镜42的患者的右眼视野以及近察设备142的观察表面144。在每只 眼睛有两个或多于两个波阵面产生器的实施方式中（图5)，患者能够同时在并列的基础上 预览和比较由眼镜镜片设计B和C产生的图像，通过近察设备142的近距离的图像Bn 146 和Cn 148,以及通过场镜42的远的察看距离的图像Bd 150和Cd 152。这样，患者可以同 时评估被提供用来在近处和远处查看的透镜设计。
[0061] 图10示出了三个不同的多焦点透镜设计A、B和C的平面视图。线?连接相似的 光放大率的区域。典型的渐变镜头具有沿已知为通路Co的透镜的中心通道向下逐渐增加 的放大率，以及发现在透镜的下角落具有逐渐增加的散光程度。为了清楚，在图10中省略 了放大率标记。如前所述，可以使用跟踪系统112来计算患者视线的每个位置的角度Θ (水 平的）和△(坚直的）。视线角度Θ (水平的）和△(坚直的）同时是患者的头的位置和 眼睛的位置的函数。这样，图11中对于每个PAL透镜设计，都示出了患者的视线角度横穿 的眼镜镜片的表面的部分，以及作为视线角度Θ和Λ的函数的当观看以角度（〇,〇)指示 无限远处的主视线矢量。代替角度，眼镜镜片上的位置还可以以距离透镜的光中心的毫米 (mm)距离示出。在大约14mm的顶点距离的情况下，20度的视线角度相当于眼镜镜片上大 约1mm的横向距离。
[0062] 通过基于透镜设计调节图像波阵面，视觉测试系统10可以被配置成模仿渐变透 镜。例如，在系统计算机110内可以载入渐变透镜设计，其描述对于透镜的区域的球面、柱 面和Η0Α的唯一值，该透镜的区域被包含在对于每一视线角度对Θ和Λ的眼睛的瞳孔入 口。透镜设计可以通过透镜制造商提供，通过合适的透镜映射器测量或者通过空间分辨折 射仪测量，空间分辨折射仪可以被提供为视觉测量系统10的附件。然后可以使用透镜信息 来调节图像波阵面以便为患者将透镜设计的属性模仿为视线角度的函数。
[0063] 在各种实施方式中，当患者的视线角度变化时，系统计算机110使用通过跟踪系 统112接收的信息以例如10-30ΗΖ的速率计算视线角度对，并且使用跟踪信息来驱动透镜 移动控制器120来调整在各个波阵面调节器46和48中的可调整的光学元件50和52,来准 确地将PAL设计的放大率复制为如同患者正在佩戴渐变透镜并且正在通过其以测量的视 线角度观看一样。图11示出了被不同的视线角度包含的透镜表面的区域的例子，对于每个 透镜设计A、B、C，通过字母A-Μ指示包含的不同透镜的位置。因为跟踪系统112和透镜移 动控制器120快速工作，所以视觉测试系统10为患者提供了随着患者的视线角度根据自然 的头的移动和眼的移动变化时的渐变透镜设计的逼真模仿。
[0064] 如图12所示，除了眼镜镜片设计，通过将来自选择的框架F'的患者的装配信息加 载进系统计算机110,其包括顶点距离V和框架包裹角FW，视觉系统10还可以提高患者查 看的眼镜镜片模仿的准确性。也就是说，V和FW的值影响由瞳孔入口包含的透镜的每一个 表面点的有效光放大率和像差。
[0065] 示例误差校正模块操作
[0066] 图13描述了用于校正高阶像差和低价像差的示例方法，所述像差是由下述引入： (1)相对场镜42的光轴130偏离轴线的入射光路126和反射128光路，以及由于患者在测 试过程中的移动产生的有效放大率变化。通过参考本公开应当理解，误差校正模块300描 述了通过本系统执行的方法步骤的示例实施方式，并且通过添加其他步骤或者通过去除图 3描述的一个或多个方法步骤可以创建其他的示例实施方式。
[0067] 在步骤302,图像投射器54、56(图3)通过对应的波阵面调节器46、48投射图 像，波阵面调节器46、48将被调节的图像波阵面导向具有与镜的表面正交的光轴130的镜 42(图1)。被调节的图像波阵面的入射光路126相对场镜的光轴130是偏离轴线的。波 阵面调节器可以具有通过系统计算机110 (图7)控制的一个或多个可调整的光学元件50、 52(图 3)。
[0068] 在步骤304,通过镜42将被调节的图像的波阵面沿着相对光轴130也是偏离轴线 的反射光路128反射。在各种实施方式中，镜42可以是凹球面镜，其在入射光路和反射光 路相对镜的光轴是偏离轴线时，向被调节的图像的波阵面施加高阶像差和低阶像差。这样， 在步骤306,系统计算机110可以被配置成在各个波阵面调节器46、48中调整光学元件50、 52来最小化由镜引入的像差。可以在视觉测试系统10的校准的过程中确定并且在校准查 找表中储存调整因子。
[0069] 在各种实施方式中，在步骤308,系统被配置成使用跟踪系统112来跟踪患者的 头、眼睛和视线的位置。患者的头、眼睛和视线的位置可以用来确定患者的眼睛相对于波阵 面调节器46、48、镜42和反射光路128的位置。在各种实施方式中，在步骤310,系统计算 机110可以被配置成使用通过跟踪系统112计算的数据来调整光学元件50、52,以最小化由 于患者的眼睛移出光学元件50、52的共轭平面的结果而引入的像差和误差（例如，有效透 镜放大率的变化），从而导致在可调整的透镜和患者眼镜平面的当前位置之间的单位放大 的损失。再一次，系统计算机110可以使用在查找表中储存的校准数据来对光学元件50、52 施加合适的调整，以适应患者在视觉测试装置内的移动。
[0070] 在各种实施方式中，可以使用耦合到场镜42和系统计算机110的可移动的镜装备 43关于患者在检查区域34移动时将被反射的光路128与患者的眼睛对齐。以这种方式，当 通过跟踪系统112得到眼跟踪数据时，系统计算机110可以使可移动的镜装备绕镜42的坚 直轴和水平轴枢转镜42,以结合患者的眼睛的移动来移动反射光路128 (图1)。以这种方 式，可以相对患者保持光路的入射角度和反射角度来最小化通过光系统和镜引入的像差。
[0071] 结论
[0072] 本系统和方法提供视觉测试系统，其测量患者的视觉系统中的光学误差（例如， 低阶和高阶像差）而无需处理毗邻患者的脸布置光学透镜或者光学仪器。进一步地，该系 统允许患者预览和比较可能的光校正并且选择优选的方案。进一步地，该系统还可以允许 患者比较多个透镜设计来确定哪种设计提供了最好的图像质量或者根据其他方式是优选 的。这些图像可以在并行基础上被同时比较或者大致同时比较。这样，患者可以同时模拟 或同时感知多个眼镜镜片。通过启动每只眼睛的波阵面调节器，对于每个眼镜镜片设计可 以预览并比较各个透镜的图像的双眼对比。结果，提供系统和方法来表征任何眼镜镜片的 光学属性，并且对于患者在通过近距离、中等距离和远距离以及图像照明、颜色和对比度的 范围的真实查看条件下的这些光学属性进行准确地模拟。通过调整图像投射器的输出，患 者可以看到如何随亮度和对比度的升高或下降以及随颜色变化比较眼镜镜片的设计。这允 许患者基于患者的主观评价预览、比较和选择他们更喜欢的特定的眼镜镜片的设计或者特 征。
[0073] 通过使用头、眼和视线跟踪系统，该系统可以将图像稳定在合适的图像平面中，从 而解放了患者，使其无需在测试中保持静止并且便于其在自然查看条件下的眼镜镜片的性 能的更逼真的模拟。该测试同时在没有仪器或在患者的视场中的其他障碍物的情况下执 行。对照现有技术的系统和方法提供的〇. 25D的增量，可以以例如0. 01D的更高分辨率的 增量来确定用于制造或选择眼镜镜片的光学参数。
[0074] 受益于前述说明书和关联的附图中提供的教导，所公开的系统和方法的许多修改 和其他实施方式将被本领域普通技术人员想到。尽管上述各个例子覆盖了本发明在视觉测 试系统的环境中的使用，但是本发明可以用于其他任何合适的环境中，例如通过眼镜镜片、 隐形眼镜、人工植入晶体和激光外科手术的模拟视觉校正。因而，应当理解，本发明不限于 公开的特定的实施方式，并且那些修改和其他实施方式旨在被包含在所附权利要求的范围 内。虽然本文使用了特定的术语，但是它们仅是出于一般地说明性的意义而使用，并不用于 限制的目的。
【权利要求】
1. 一种用于测量患者的视觉的系统，包括： a. 至少一个处理器； b. 至少一个图像波阵面调节器，其可操作地耦合到所述至少一个处理器并且被配置成 调节被投射的图像的波阵面； c. 患者测试区域，其包括检查区域,其中所述检查区域包括当患者位于所述患者测试 区域内时在其中定位患者的眼睛的区域；以及 d. 反射镜，其具有与所述反射镜的表面正交的光轴，其中所述光轴位于所述至少一个 波阵面调节器和所述患者检查区域中间； 其中，所述至少一个处理器被配置成调整所述至少一个波阵面调节器来最小化由位于 所述波阵面调节器和所述患者检查区域中间的所述光轴产生的光学像差和光学误差。
2. 如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个波阵面调节器还包括从组中选择的可 调整的光学元件，所述组包括： a. 连续可变放大率透镜； b. 可变形镜； c. 一个或更多离散透镜； d. 相位板； e. a、b、c或d中的一个或多个的组合。
3. 如权利要求1所述的系统，其中所述光学像差和光学误差是从组中选择的一个或多 个光学像差和光学误差，所述组包括： a. 球面散焦； b. 散光像差；以及 c. 商阶像差。
4. 如权利要求1所述的系统，其中所述患者测试区域还包括座位，所述座位可操作地 耦合到所述至少一个处理器并且被配置成被移动来合适地设置患者的眼睛在所述检查区 域内的位置。
5. 如权利要求1所述的系统，还包括可操作地耦合到所述至少一个处理器的跟踪系 统，其中所述跟踪系统被配置成随着患者的眼睛关于所述检查区域移动而跟踪被测试的患 者的眼睛。
6. 如权利要求5所述的系统，其中所述至少一个处理器被配置成基于从所述跟踪系统 接收的数据来动态地调整所述至少一个波阵面调节器，以当被测试的患者的眼睛关于所述 检查区域移动时最小化通过所述反射镜引入的和来自单位放大的损失的所述光学像差和 光学误差。
7. 如权利要求5所述的系统，还包括可移动的装备，所述可移动的装备： a. 适于耦合到所述反射镜；并且 b. 可操作地耦合到所述至少一个处理器， 其中所述可移动的装备基于通过所述跟踪系统获得的眼睛位置数据来移动所述反射 镜。
8. 如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个处理器被配置成调整所述至少一个波 阵面调节器以便在穿过所述至少一个波阵面调节器的图像上模拟至少一个眼镜镜片设计 的校正特性。
9. 一种测量视觉的系统，包括： a. 至少一个处理器； b. 反射镜，其具有与所述反射镜的表面正交的光轴； c. 可调整的光学元件，其可操作地耦合到所述至少一个处理器并且被配置成调节通过 所述可调整的光学元件投射到所述反射镜上的图像的波阵面，其中，所调节的波阵面和所 述反射镜之间的入射光路相对于所述反射镜的所述光轴是偏离轴线的；以及 d. 反射光路，其来自所述反射镜并且相对于所述反射镜的所述光轴是偏离轴线的； 其中，所述至少一个处理器被配置成调整所述可调整的光学元件来最小化由于所述入 射光路和所述反射光路的偏离轴线的角度而引入到所调节的波阵面的光学像差和光学误 差。
10. 如权利要求9所述的系统，其中所述反射镜还包括球面凹曲率。
11. 如权利要求9所述的系统，其中所述误差和像差是从组中选择的一个或多个误差 和像差，所述组包括： a. 球面散焦误差； b. 圆柱误差；以及 c. 商阶像差。
12. 如权利要求9所述的系统，其中所述反射光路大致上位于在视觉测试过程中患者 的眼睛所位于的检查区域内。
13. 如权利要求12所述的系统，还包括跟踪系统，所述跟踪系统可操作地耦合到所述 至少一个处理器并且被配置成当患者被测试时检测并跟踪患者的眼睛。
14. 如权利要求13所述的系统，其中所述可调整的光学元件适于当患者被测试时动态 地最小化由患者的眼睛关于所述检查区域移动而产生的一个或多个光学误差和光学像差。
15. 如权利要求13所述的系统，还包括可移动的装备，所述可移动的装备耦合到所述 反射镜，其中所述可移动的装备被可操作地耦合到所述至少一个处理器并且被配置成基于 通过所述跟踪系统获得的眼跟踪数据来移动所述反射镜。
16. 如权利要求9所述的系统，其中所述至少一个处理器被配置成调整所述可调整的 光学元件以便在穿过所述可调整的光学元件的图像上模拟至少两个眼镜镜片设计的校正 特性，以允许被测试的患者预览并比较所述至少两个眼镜镜片设计。
17. -种用于校正在眼睛检查测试系统中引入的偏离轴线的误差的方法，所述方法包 括： a. 将图像的被调节的波阵面投射到具有光轴的镜上，所述光轴与所述反射镜的表面大 体正交，其中 i. 所述被调节的波阵面的入射光路相对于所述光轴是偏离轴线的； ii. 所述图像的波阵面被至少一个可调整的光学元件调节，以及 iii. 通过至少一个处理器控制所述至少一个可调整的光学元件； b. 通过所述镜将所述图像的所述被调节的波阵面沿着反射光路反射进在视觉测试程 序中患者的眼睛所在的检查区域内，其中所述反射光路相对于所述光轴是偏离轴线的；以 及 C.通过所述至少一个处理器调整所述至少一个可调整的光学元件来最小化由于所述 偏离轴线的入射光路和反射光路而由所述镜引入的一个或多个光学像差和光学误差。
18. 如权利要求17所述的计算机实施的方法，其中所述至少一个可调整的光学元件包 括多个可移动的Alvarez透镜。
19. 如权利要求17所述的计算机实施的方法，还包括： a. 通过跟踪系统跟踪患者的眼睛的位置；以及 b. 通过所述至少一个处理器调整所述至少一个可调整的光学元件来最小化由于患者 的眼睛关于所述检查区域移动而引入的一个或多个光学像差和光学误差。
20. 如权利要求19所述的计算机实施的方法，其中调整所述至少一个可调整的光学元 件的步骤还包括：响应于患者的眼睛关于所述检查区域移动而自动地调整所述至少一个可 调整的光学元件。
21. 如权利要求17所述的计算机实施的方法，还包括： a. 通过跟踪系统跟踪患者的眼睛的位置；以及 b. 基于通过所述跟踪系统获得的跟踪数据来移动所述镜以便保持所述反射光路与患 者的眼睛的对齐。
22. 如权利要求21所述的计算机实施的方法，还包括：通过所述至少一个处理器调整 所述至少一个可调整的光学元件来最小化由患者的眼睛关于所述检查区域移动而引入的 一个或多个光学像差和光学误差。
23. 如权利要求17所述的计算机实施的方法，还包括： a. 通过所述至少一个处理器接收至少一个眼镜镜片设计；以及 b. 基于所接收的至少一个眼镜镜片设计来调整所述至少一个可调整的光学元件来模 拟由所述至少一个眼镜镜片设计提供的校正特性。
24. -种用于测量患者的视觉和模拟校正透镜的系统，所述系统包括： a. 至少一个处理器； b. 至少一个波阵面调节器，其可操作地耦合到所述至少一个处理器并且被配置成调节 被投射的图像的波阵面； c. 患者测试区域，其包括检查区域；以及 d. 镜，其具有与所述反射镜的表面正交的光轴，其中所述光轴位于所述至少一个波阵 面调节器和所述患者检查区域中间； 其中所述至少一个处理器被配置成： i. 接收至少一个眼镜镜片设计； ii. 调整所述至少一个波阵面调节器来调节至少一个图像以便从所述镜反射进所述患 者测试区域的至少一个图像模拟所述至少一个眼镜镜片设计的校正特性。
25. 如权利要求24所述的系统，其中所述至少一个处理器还被配置成： a. 接收多个眼镜镜片设计；以及 b. 调整所述至少一个波阵面调节器来调节所述至少一个图像，以便从所述镜反射进所 述患者测试区域的所述图像模拟并列的至少两个眼镜镜片设计的校正特性来允许被测试 的患者大致上同时预览和比较所述至少两个眼镜镜片设计。
26. 如权利要求25所述的系统，还包括多个波阵面调节器和多个图像。
【文档编号】A61B3/00GK104144634SQ201380011434
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年2月27日 优先权日:2012年2月28日
【发明者】基思·P·汤普森, 乔斯·R·加西亚 申请人:迪吉塔尔视觉有限责任公司